JP2002075835A - 照明光学装置および該照明光学装置を備えた露光装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 コンパクト化と良好な光学性能の確保とを両
立させることのできる照明光学装置。 【解決手段】 光源手段（１）からの光束に基づいて第
１多数光源を形成する第１オプティカルインテグレータ
（６，６０）と、第１多数光源からの光束に基づいて第
２多数光源を形成する第２オプティカルインテグレータ
（８）とを備え、第２多数光源からの光束で被照射面
（１１）を照明する。光源手段からの光束を所定の形状
の光束に変換する光束変換素子（４，４０，４１）と、
光束変換素子からの光束を集光して光軸（ＡＸ）に対し
てほぼ対称に斜め方向から第１オプティカルインテグレ
ータへ入射させる第１光学系（５）とを備えている。光
束変換素子からの射出光束の開口数が第１多数光源から
の光束の開口数よりも大きく設定されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は照明光学装置および
該照明光学装置を備えた露光装置に関し、特に半導体素
子、撮像素子、液晶表示素子、薄膜磁気ヘッド等のマイ
クロデバイスをリソグラフィー工程で製造するための露
光装置に好適な照明光学装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】この種の典型的な露光装置においては、
光源から射出された光束が、第１オプティカルインテグ
レータとしてのマイクロフライアイを介して、第１多数
光源を形成する。次いで、第１多数光源からの光束が、
第２オプティカルインテグレータとしてのフライアイレ
ンズを介して、第２多数光源すなわち二次光源を形成す
る。二次光源からの光束は、フライアイレンズの後側焦
点面の近傍に配置された開口絞りを介して制限された
後、コンデンサーレンズに入射する。

【０００３】コンデンサーレンズにより集光された光束
は、所定のパターンが形成されたマスクを重畳的に照明
する。マスクのパターンを透過した光は、投影光学系を
介してウェハ上に結像する。こうして、ウェハ上には、
マスクパターンが投影露光（転写）される。なお、マス
クに形成されたパターンは高集積化されており、この微
細パターンをウェハ上に正確に転写するにはウェハ上に
おいて均一な照度分布を得ることが不可欠である。

【０００４】近年においては、フライアイレンズの射出
側に配置された開口絞りの開口部（光透過部）の大きさ
を変化させることにより、フライアイレンズにより形成
される二次光源の大きさを変化させて、照明のコヒーレ
ンシィσ（σ値＝開口絞り径／投影光学系の瞳径、ある
いはσ値＝照明光学系の射出側開口数／投影光学系の入
射側開口数）を変化させる技術が注目されている。ま
た、フライアイレンズの射出側に配置された開口絞りの
開口部の形状を輪帯状や四つ穴状（すなわち４極状）に
設定することにより、フライアイレンズにより形成され
る二次光源の形状を輪帯状や４極状に制限して、投影光
学系の焦点深度や解像力を向上させる技術が注目されて
いる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】この場合、開口絞りに
おける光量損失を良好に回避しつつ二次光源の形状を輪
帯状や４極状に制限して変形照明（輪帯照明や４極照明
など）および通常の円形照明を行う照明光学装置を実現
しようとすると、構成が複雑化および大型化し易いだけ
でなく、場合によっては製造が現実的に不可能になるこ
とも考えられる。

【０００６】本発明は、前述の課題に鑑みてなされたも
のであり、光量損失を良好に抑えつつ輪帯照明や４極照
明などの変形照明および通常の円形照明が可能で、コン
パクト化と良好な光学性能の確保とを両立させることの
できる、照明光学装置および該照明光学装置を備えた露
光装置を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、本発明では、光源手段からの光束に基づいて多数の
光源からなる第１多数光源を形成するための第１オプテ
ィカルインテグレータと、前記第１多数光源からの光束
に基づいてより多数の光源からなる第２多数光源を形成
するための第２オプティカルインテグレータとを備え、
前記第２多数光源からの光束で被照射面を照明する照明
光学装置において、前記光源手段からの光束を所定の形
状の光束に変換するための光束変換素子と、前記光束変
換素子からの光束を集光して、基準光軸に対してほぼ対
称に斜め方向から前記第１オプティカルインテグレータ
へ入射させるための第１光学系とを備え、前記光束変換
素子からの射出光束の開口数が、前記第１オプティカル
インテグレータにより形成される前記第１多数光源から
の光束の開口数よりも大きく設定されていることを特徴
とする照明光学装置を提供する。

【０００８】第１発明の好ましい態様によれば、前記光
束変換素子は、照明光路に対して挿脱自在に構成された
複数の回折光学素子を有し、前記複数の回折光学素子
は、前記光源手段からの平行光束を円形状の光束に変換
するための第１回折光学素子と、前記光源手段からの平
行光束を輪帯状の光束に変換するための第２回折光学素
子と、前記光源手段からの平行光束を前記基準光軸に対
して偏心した複数の光束に変換するための第３回折光学
素子とを有する。

【０００９】また、第１発明の好ましい態様によれば、
前記第１光学系は、前記第２多数光源として形成される
輪帯状の光源の輪帯比または前記基準光軸に対して偏心
した複数の光源からなる複数極状の光源の輪帯比を変更
するために倍率が可変の第１変倍光学系を有する。

【００１０】さらに、第１発明の好ましい態様によれ
ば、前記第１オプティカルインテグレータと前記第２オ
プティカルインテグレータとの間の光路中には、前記第
１オプティカルインテグレータにより形成される第１多
数光源からの光束を前記第２オプティカルインテグレー
タへ導くための第２光学系が配置され、前記第２光学系
は、前記第２多数光源の大きさを変更するために倍率が
可変の第２変倍光学系を有する。

【００１１】また、第１発明の好ましい態様によれば、
前記第１オプティカルインテグレータは、照明光路に対
して挿脱自在に構成された複数のマイクロフライアイを
有し、前記複数のマイクロフライアイは、第１の焦点距
離を有する多数の微小レンズからなる第１マイクロフラ
イアイと、前記第１の焦点距離とは実質的に異なる第２
の焦点距離を有する多数の微小レンズからなる第２マイ
クロフライアイとを有する。この場合、前記第１マイク
ロフライアイを構成する各微小レンズの焦点距離は、前
記第２多数光源として２／３から３／４までの範囲の輪
帯比を有する輪帯状の光源または複数極状の光源を形成
するための所望の値に設定されていることが好ましい。

【００１２】本発明の別の局面によれば、上述の本発明
にかかる照明光学装置と、前記被照射面に配置されたマ
スクのパターンを感光性基板に投影露光するための投影
光学系とを備えていることを特徴とする露光装置を提供
する。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明の典型的な実施形態におい
ては、たとえば回折光学素子のような光束変換素子によ
り、光源手段からの光束を輪帯状または４極状の光束に
変換する。この輪帯状または４極状の光束は、所定の第
１光学系により集光され、光軸に対してほぼ対称に斜め
方向から、マイクロフライアイのような第１オプティカ
ルインテグレータへ入射する。こうして、マイクロフラ
イアイにより第１多数光源が形成される。第１多数光源
からの光束は、所定の第２光学系を介した後、フライア
イレンズのような第２オプティカルインテグレータによ
り、第２多数光源すなわち輪帯状または４極状の二次光
源を形成する。

【００１４】本発明では、光束変換素子としての回折光
学素子からの射出光束の開口数を、第１オプティカルイ
ンテグレータとしてのマイクロフライアイにより形成さ
れる第１多数光源からの光束の開口数よりも大きく設定
している。回折光学素子からの射出光束の開口数を第１
多数光源からの光束の開口数よりも大きく設定すること
により、詳細については後述するように、第１光学系お
よび第２光学系の大型化を回避し、回折光学素子、マイ
クロフライアイおよび第２光学系の製造が困難になるの
を回避することができる。

【００１５】その結果、本発明の照明光学装置では、光
量損失を良好に抑えつつ輪帯照明や４極照明などの変形
照明および通常の円形照明が可能で、コンパクト化と良
好な光学性能の確保とを両立させることができる。した
がって、本発明の照明光学装置を組み込んだ露光装置で
は、露光投影すべき微細パターンに適した投影光学系の
解像度および焦点深度を得ることができ、高い露光照度
および良好な露光条件のもとで、スループットの高い良
好な投影露光を行うことができる。また、本発明の照明
光学装置を用いて被照射面上に配置されたマスクのパタ
ーンを感光性基板上に露光する露光方法では、良好な露
光条件のもとで投影露光を行うことができるので、良好
なマイクロデバイスを製造することができる。

【００１６】本発明の実施形態を、添付図面に基づいて
説明する。図１は、本発明の実施形態にかかる照明光学
装置を備えた露光装置の構成を概略的に示す図である。
図１において、感光性基板であるウェハの法線方向に沿
ってＺ軸を、ウェハ面内において図１の紙面に平行な方
向にＹ軸を、ウェハ面内において図１の紙面に垂直な方
向にＸ軸をそれぞれ設定している。なお、図１では、照
明光学装置が輪帯照明を行うように設定されている。

【００１７】図１の露光装置は、露光光（照明光）を供
給するための光源１として、たとえば２４８ｎｍ（Ｋｒ
Ｆ）または１９３ｎｍ（ＡｒＦ）の波長の光を供給する
エキシマレーザー光源を備えている。光源１からＺ方向
に沿って射出されたほぼ平行な光束は、Ｘ方向に沿って
細長く延びた矩形状の断面を有し、一対のシリンドリカ
ルレンズ２ａおよび２ｂからなるビームエキスパンダー
２に入射する。各シリンドリカルレンズ２ａおよび２ｂ
は、図１の紙面内（ＹＺ平面内）において負の屈折力お
よび正の屈折力をそれぞれ有し、光軸ＡＸを含んで紙面
と直交する面内（ＸＺ平面内）において平行平面板とし
て機能する。したがって、ビームエキスパンダー２に入
射した光束は、図１の紙面内において拡大され、所定の
矩形状の断面を有する光束に整形される。

【００１８】整形光学系としてのビームエキスパンダー
２を介したほぼ平行な光束は、折り曲げミラー３でＹ方
向に偏向された後、輪帯照明用の回折光学素子（ＤＯ
Ｅ）４に入射する。一般に、回折光学素子は、ガラス基
板に露光光（照明光）の波長程度のピッチを有する段差
を形成することによって構成され、入射ビームを所望の
角度に回折する作用を有する。輪帯照明用の回折光学素
子４は、図２（ａ）に示すように、光軸ＡＸと平行に垂
直入射した細い光束を、１つの所定の発散角にしたがっ
て放射状に発散させる。換言すると、回折光学素子４に
光軸ＡＸに沿って垂直入射した細い光束は、光軸ＡＸを
中心として等角度であらゆる方向に沿って回折される。
その結果、回折光学素子４に垂直入射した細い光束は、
リング状の断面を有する発散光束に変換される。

【００１９】したがって、図２（ｂ）に示すように、回
折光学素子４に対して太い平行光束が垂直入射すると、
輪帯状の光束に変換された後、回折光学素子４の後方に
配置されたレンズ３１の焦点位置に、リング状の像（リ
ング状の光源像）３２を形成する。すなわち、回折光学
素子４は、ファーフィールド（またはフラウンホーファ
ー回折領域）に、リング状の光強度分布を形成する。ま
た、レンズ３１は、ファーフィールド（またはフラウン
ホーファー回折領域）に形成されるリング状の光強度分
布を、その後側焦点面上に形成させる。このように、回
折光学素子４は、光源１からの光束を実質的に輪帯状の
光束に変換するための光束変換素子を構成している。

【００２０】なお、回折光学素子４は、照明光路に対し
て挿脱自在に構成され、４極照明用の回折光学素子４０
や通常円形照明用の回折光学素子４１と切り換え可能に
構成されている。４極照明用の回折光学素子４０および
通常円形照明用の回折光学素子４１の構成および作用に
ついては後述する。ここで、輪帯照明用の回折光学素子
４と４極照明用の回折光学素子４０と通常円形照明用の
回折光学素子４１との間の切り換えは、制御系２１から
の指令に基づいて動作する第１駆動系２２により行われ
る。

【００２１】回折光学素子４を介して形成された輪帯状
の光束は、アフォーカルズームレンズ５に入射する。ア
フォーカルズームレンズ５は、回折光学素子４の回折面
と後述するマイクロフライアイ６の入射面とを光学的に
ほぼ共役な関係に維持し、且つアフォーカル系（無焦点
光学系）を維持しながら、所定の範囲で倍率を連続的に
変化させることができるように構成されている。ここ
で、アフォーカルズームレンズ５の倍率変化は、制御系
２１からの指令に基づいて動作する第２駆動系２３によ
り行われる。

【００２２】回折光学素子４を介して形成された輪帯状
の光束は、アフォーカルズームレンズ５に入射し、その
瞳面にリング状の光源像を形成する。このリング状の光
源像からの光は、ほぼ平行光束となってアフォーカルズ
ームレンズ５から射出され、マイクロフライアイ６に入
射する。このとき、マイクロフライアイ６の入射面に
は、光軸ＡＸに対してほぼ対称に斜め方向から光束が入
射する。マイクロフライアイ６は、稠密に且つ縦横に配
列された多数の正六角形状の正屈折力を有する微小レン
ズからなる光学素子である。一般に、マイクロフライア
イは、たとえば平行平面ガラス板にエッチング処理を施
して微小レンズ群を形成することによって構成される。

【００２３】ここで、マイクロフライアイを構成する各
微小レンズは、フライアイレンズを構成する各レンズエ
レメントよりも微小である。また、マイクロフライアイ
は、互いに隔絶されたレンズエレメントからなるフライ
アイレンズとは異なり、多数の微小レンズが互いに隔絶
されることなく一体的に形成されている。しかしなが
ら、正屈折力を有するレンズ要素が縦横に配置されてい
る点でマイクロフライアイはフライアイレンズと同じで
ある。なお、図１では、図面の明瞭化のために、マイク
ロフライアイ６を構成する微小レンズの数を実際よりも
非常に少なく設定している。

【００２４】したがって、マイクロフライアイ６に入射
した光束は多数の微小レンズにより二次元的に分割さ
れ、各微小レンズの後側焦点面にはそれぞれ１つのリン
グ状の光源（集光点）が形成される。このように、マイ
クロフライアイ６は、光源１からの光束に基づいて多数
の光源からなる第１多数光源を形成するための第１オプ
ティカルインテグレータを構成している。

【００２５】なお、マイクロフライアイ６は、照明光路
に対して挿脱自在に構成され、且つ微小レンズの焦点距
離がマイクロフライアイ６とは異なるマイクロフライア
イ６０と切り換え可能に構成されている。マイクロフラ
イアイ６とマイクロフライアイ６０との間の切り換え
は、制御系２１からの指令に基づいて動作する第３駆動
系２４により行われる。

【００２６】マイクロフライアイ６の後側焦点面に形成
された多数の光源からの光束は、ズームレンズ７を介し
て、第２オプティカルインテグレータとしてのフライア
イレンズ８を重畳的に照明する。なお、ズームレンズ７
は、所定の範囲で焦点距離を連続的に変化させることの
できるリレー光学系であって、マイクロフライアイ６の
後側焦点面とフライアイレンズ８の後側焦点面とを光学
的にほぼ共役に結んでいる。換言すると、ズームレンズ
７は、マイクロフライアイ６の後側焦点面とフライアイ
レンズ８の入射面とを実質的にフーリエ変換の関係に結
んでいる。

【００２７】したがって、マイクロフライアイ６の後側
焦点面に形成された多数のリング状の光源からの光束
は、ズームレンズ７の後側焦点面に、ひいてはフライア
イレンズ８の入射面に、光軸ＡＸを中心とした輪帯状の
照野を形成する。この輪帯状の照野の大きさは、ズーム
レンズ７の焦点距離に依存して変化する。なお、ズーム
レンズ７の焦点距離の変化は、制御系２１からの指令に
基づいて動作する第４駆動系２５により行われる。

【００２８】フライアイレンズ８は、正の屈折力を有す
る多数のレンズエレメントを稠密に且つ縦横に配列する
ことによって構成されている。なお、フライアイレンズ
８を構成する各レンズエレメントは、マスク上において
形成すべき照野の形状（ひいてはウェハ上において形成
すべき露光領域の形状）と相似な矩形状の断面を有す
る。また、フライアイレンズ８を構成する各レンズエレ
メントの入射側の面は入射側に凸面を向けた球面状に形
成され、射出側の面は射出側に凸面を向けた球面状に形
成されている。

【００２９】したがって、フライアイレンズ８に入射し
た光束は多数のレンズエレメントにより二次元的に分割
され、光束が入射した各レンズエレメントの後側焦点面
には多数の光源がそれぞれ形成される。こうして、フラ
イアイレンズ８の後側焦点面には、フライアイレンズ８
への入射光束によって形成される照野とほぼ同じ光強度
分布を有する輪帯状の実質的な面光源（以下、「二次光
源」という）が形成される。このように、フライアイレ
ンズ８は、第１オプティカルインテグレータであるマイ
クロフライアイ６の後側焦点面に形成された第１多数光
源からの光束に基づいてより多数の光源からなる第２多
数光源を形成するための第２オプティカルインテグレー
タを構成している。

【００３０】フライアイレンズ８の後側焦点面に形成さ
れた輪帯状の二次光源からの光束は、その近傍に配置さ
れた開口絞り９に入射する。この開口絞り９は、光軸Ａ
Ｘに平行な所定の軸線回りに回転可能なターレット（回
転板：図１では不図示）上に支持されている。

【００３１】図３は、複数の開口絞りが円周状に配置さ
れたターレットの構成を概略的に示す図である。図３に
示すように、ターレット基板４００には、図中斜線で示
す光透過域を有する８つの開口絞りが円周方向に沿って
設けられている。ターレット基板４００は、その中心点
Ｏを通り光軸ＡＸに平行な軸線回りに回転可能に構成さ
れている。したがって、ターレット基板４００を回転さ
せることにより、８つの開口絞りから選択された１つの
開口絞りを照明光路中に位置決めすることができる。な
お、ターレット基板４００の回転は、制御系２１からの
指令に基づいて動作する第５駆動系２６により行われ
る。

【００３２】ターレット基板４００には、輪帯比の異な
る３つの輪帯開口絞り４０１、４０３および４０５が形
成されている。ここで、輪帯開口絞り４０１は、ｒ１１
／ｒ２１の輪帯比を有する輪帯状の透過領域を有する。
輪帯開口絞り４０３は、ｒ１２／ｒ２２の輪帯比を有す
る輪帯状の透過領域を有する。輪帯開口絞り４０５は、
ｒ１３／ｒ２１の輪帯比を有する輪帯状の透過領域を有
する。

【００３３】また、ターレット基板４００には、輪帯比
の異なる３つの４極開口絞り４０２、４０４および４０
６が形成されている。ここで、４極開口絞り４０２は、
ｒ１１／ｒ２１の輪帯比を有する輪帯状領域内において
４つの偏心した円形透過領域を有する。４極開口絞り４
０４は、ｒ１２／ｒ２２の輪帯比を有する輪帯状領域内
において４つの偏心した円形透過領域を有する。４極開
口絞り４０６は、ｒ１３／ｒ２１の輪帯比を有する輪帯
状領域内において４つの偏心した円形透過領域を有す
る。

【００３４】さらに、ターレット基板４００には、大き
さ（口径）の異なる２つの円形開口絞り４０７および４
０８が形成されている。ここで、円形開口絞り４０７は
２ｒ２２の大きさの円形透過領域を有し、円形開口絞り
４０８は２ｒ２１の大きさの円形透過領域を有する。

【００３５】したがって、３つの輪帯開口絞り４０１、
４０３および４０５のうちの１つの輪帯開口絞りを選択
して照明光路内に位置決めすることにより、３つの異な
る輪帯比を有する輪帯光束を正確に制限（規定）して、
輪帯比の異なる３種類の輪帯照明を行うことができる。
また、３つの４極開口絞り４０２、４０４および４０６
のうちの１つの４極開口絞りを選択して照明光路内に位
置決めすることにより、３つの異なる輪帯比を有する４
つの偏心光束を正確に制限して、輪帯比の異なる３種類
の４極照明を行うことができる。さらに、２つの円形開
口絞り４０７および４０８のうちの１つの円形開口絞り
を選択して照明光路内に位置決めすることにより、σ値
の異なる２種類の通常円形照明を行うことができる。

【００３６】図１では、フライアイレンズ８の後側焦点
面に輪帯状の二次光源が形成されるので、開口絞り９と
して３つの輪帯開口絞り４０１、４０３および４０５か
ら選択された１つの輪帯開口絞りが用いられている。た
だし、図３に示すターレットの構成は例示的であって、
配置される開口絞りの種類および数はこれに限定される
ことはない。また、ターレット方式の開口絞りに限定さ
れることなく、光透過領域の大きさおよび形状を適宜変
更することの可能な開口絞りを照明光路内に固定的に取
り付けてもよい。さらに、２つの円形開口絞り４０７お
よび４０８に代えて、円形開口径を連続的に変化させる
ことのできる虹彩絞りを設けることもできる。

【００３７】輪帯状の開口部（光透過部）を有する開口
絞り９を介した二次光源からの光は、コンデンサー光学
系１０の集光作用を受けた後、所定のパターンが形成さ
れたマスク１１を重畳的に均一照明する。マスク１１の
パターンを透過した光束は、投影光学系１２を介して、
感光性基板であるウェハ１３上にマスクパターンの像を
形成する。こうして、投影光学系１２の光軸ＡＸと直交
する平面（ＸＹ平面）内においてウェハ１３を二次元的
に駆動制御しながら一括露光またはスキャン露光を行う
ことにより、ウェハ１３の各露光領域にはマスク１１の
パターンが逐次露光される。

【００３８】なお、一括露光では、いわゆるステップ・
アンド・リピート方式にしたがって、ウェハの各露光領
域に対してマスクパターンを一括的に露光する。この場
合、マスク１１上での照明領域の形状は正方形に近い矩
形状であり、フライアイレンズ８の各レンズエレメント
の断面形状も正方形に近い矩形状となる。一方、スキャ
ン露光では、いわゆるステップ・アンド・スキャン方式
にしたがって、マスクおよびウェハを投影光学系に対し
て相対移動させながらウェハの各露光領域に対してマス
クパターンをスキャン露光する。この場合、マスク１１
上での照明領域の形状は短辺と長辺との比がたとえば
１：３の矩形状であり、フライアイレンズ８の各レンズ
エレメントの断面形状もこれと相似な矩形状となる。

【００３９】図４は、回折光学素子４からマイクロフラ
イアイ６の入射面までの構成を概略的に示す図であっ
て、アフォーカルズームレンズ５の作用を説明する図で
ある。図４（ａ）に示すように、回折光学素子４により
光軸ＡＸに対して角度αの等角度であらゆる方向に沿っ
て回折された光束は、倍率ｍ１のアフォーカルズームレ
ンズ５を介した後、マイクロフライアイ６の入射面に、
光軸ＡＸに対して角度θ１の等角度であらゆる方向に沿
って斜め入射する。このときに、マイクロフライアイの
入射面に形成される照野の大きさはｄ１である。

【００４０】ここで、図４（ｂ）に示すように、アフォ
ーカルズームレンズ５の倍率をｍ１からｍ２へ変化させ
ると、回折光学素子４により光軸ＡＸに対して角度αの
等角度であらゆる方向に沿って回折された光束は、倍率
ｍ２のアフォーカルズームレンズ５を介した後、マイク
ロフライアイ６の入射面に光軸ＡＸに対して角度θ２の
等角度であらゆる方向に沿って斜め入射する。このとき
に、マイクロフライアイ６の入射面に形成される照野の
大きさはｄ２である。

【００４１】ここで、マイクロフライアイ６の入射面へ
の光束の入射角度θ１およびθ２、並びにマイクロフラ
イアイ６の入射面に形成される照野の大きさｄ１および
ｄ２と、アフォーカルズームレンズ５の倍率ｍ１および
ｍ２との間には、次の式（１）および（２）に示す関係
が成立する。 θ２＝（ｍ１／ｍ２）・θ１ （１） ｄ２＝（ｍ２／ｍ１）・ｄ１ （２）

【００４２】式（１）を参照すると、アフォーカルズー
ムレンズ５の倍率ｍを連続的に変化させることにより、
マイクロフライアイ６の入射面への光束の入射角度θを
連続的に変化させることができることがわかる。

【００４３】図５は、マイクロフライアイ６から開口絞
り９までの構成を概略的に示す図であって、マイクロフ
ライアイ６の入射面に斜め入射した光束がフライアイレ
ンズ８の入射面に輪帯状の照野を形成する様子を示す図
である。図５（ａ）において実線で示すように、マイク
ロフライアイ６の入射面に対して所定の方向から所定の
角度で斜め入射した光束は、各微小レンズを介して結像
した後も角度を保持しながらズームレンズ７へ斜め入射
し、フライアイレンズ８の入射面において光軸ＡＸから
所定の距離だけ偏心した位置に所定の幅を有する照野を
形成する。

【００４４】実際には、図５（ａ）において破線で示す
ように、マイクロフライアイ６の入射面には光軸ＡＸに
対してほぼ対称に斜め方向から光束が入射する。換言す
ると、光軸ＡＸを中心として等角度であらゆる方向に沿
って光束が斜め入射する。したがって、フライアイレン
ズ８の入射面には、図５（ｂ）に示すように、光軸ＡＸ
を中心とした輪帯状の照野が形成されることになる。ま
た、フライアイレンズ８の後側焦点面には、入射面に形
成された照野と同じ輪帯状の二次光源が形成されること
になる。

【００４５】一方、上述したように、フライアイレンズ
８の後側焦点面の近傍に配置された輪帯開口絞り９に
は、輪帯状の二次光源に対応する輪帯状の開口部（図３
の４０１，４０３，４０５を参照）が形成されている。
こうして、光源１からの光束に基づいてほとんど光量損
失することなく輪帯状の二次光源を形成することがで
き、その結果二次光源からの光束を制限する輪帯開口絞
り９においてほとんど光量損失することなく輪帯照明を
行うことができる。

【００４６】図６は、回折光学素子４からフライアイレ
ンズ８の入射面までの構成を概略的に示す図であって、
アフォーカルズームレンズ５の倍率およびズームレンズ
７の焦点距離とフライアイレンズ８の入射面に形成され
る輪帯状の照野の大きさおよび形状との関係を説明する
図である。図６において、回折光学素子４から回折角度
αで射出された光線は、倍率ｍのアフォーカルズームレ
ンズ５を介した後、光軸ＡＸに対して角度θでマイクロ
フライアイ６に入射する。すなわち、回折光学素子４か
らの射出光束の開口数ＮＡ１は、ＮＡ１＝ｎ・sinα
（ｎは空間の屈折率）で表される。

【００４７】マイクロフライアイ６は、サイズ（正六角
形状の各微小レンズに外接する円の直径）がａで焦点距
離がｆ１の微小レンズから構成されている。マイクロフ
ライアイ６により形成された各光源から射出角度θで射
出された中心光線は、焦点距離ｆ２のズームレンズ７を
介してフライアイレンズ８の入射面に達する。同様に、
各光源から中心光線に対して所定の角度範囲（最大射出
角度β）で射出された光線群もフライアイレンズ８の入
射面に達する。こうして、フライアイレンズ８の入射面
における光束の入射範囲は、光軸ＡＸからｙの高さを中
心として幅ｂを有する範囲となる。すなわち、図５
（ｂ）に示すように、フライアイレンズ８の入射面に形
成される照野、ひいてはフライアイレンズ８の後側焦点
面に形成される二次光源は、光軸ＡＸからの高さｙを有
し且つ幅ｂを有することになる。

【００４８】ところで、マイクロフライアイ６へ平行光
束が入射する場合には、形成される各光源からの射出光
束の開き角の半角をγとすると、マイクロフライアイ６
の開口数は、ｎ・sinγで表される。本実施形態では、
マイクロフライアイ６の入射面に入射角度θで斜め方向
から光束が入射する（換言すると収斂光束が入射する）
ため、マイクロフライアイ６により形成される各光源か
らの射出光束の最大射出角度βは、マイクロフライアイ
６への入射角度θと、上述したマイクロフライアイ６の
開口数ｎ・sinγに対応する角度γとの総和で表され
る。そして、マイクロフライアイ６により形成される各
光源からの射出光束の開口数ＮＡ２は、ＮＡ２＝ｎ・si
nβで表される。

【００４９】ここで、回折光学素子４からの射出光束の
開き角の半角（回折角）αとマイクロフライアイ６への
入射角度θとの間には、次の式（３）で示す関係が成立
する。 θ＝（１／ｍ）・α （３）

【００５０】また、輪帯状の二次光源の高さｙおよびそ
の幅ｂは、次の式（４）および（５）でそれぞれ表され
る。 ｙ＝ｆ２・ sinθ＝ｆ２・ sin（α／ｍ） （４） ｂ＝（ｆ２／ｆ１）・ａ （５）

【００５１】さらに、マイクロフライアイ６により形成
される各光源からの射出光束の最大射出角度βは、次の
式（６）で表される。 β＝（ａ／２）／ｆ１＝（ａ／ｆ１）／２ （６）

【００５２】したがって、輪帯状の二次光源の内径φｉ
と外径φｏとの比で規定される輪帯比Ａは、次の式
（７）で表される。

【数１】 Ａ＝φｉ／φｏ＝（２ｙ−ｂ）／（２ｙ＋ｂ） ＝｛２ｆ２・ sin( α／ｍ）−（ｆ２／ｆ１）・ａ｝ ／｛２ｆ２・ sin( α／ｍ）＋（ｆ２／ｆ１）・ａ｝ ＝｛２sin(α／ｍ）−ａ／ｆ１｝ ／｛２sin(α／ｍ）＋ａ／ｆ１｝ ＝｛sin(α／ｍ）−β｝／｛sin(α／ｍ）＋β｝ （７）

【００５３】また、輪帯状の二次光源の外径φo は、次
の式（８）で表される。

【数２】

【００５４】式（８）を変形すると、次の式（９）に示
す関係が得られる。 ｆ２＝φo ／｛２ sin( α／ｍ）＋（ａ／ｆ１）｝ （９） こうして、式（４）および（５）を参照すると、ズーム
レンズ７の焦点距離ｆ２が変化することなくアフォーカ
ルズームレンズ５の倍率ｍだけが変化すると、輪帯状の
二次光源の幅ｂが変化することなくその高さｙだけが変
化することがわかる。すなわち、アフォーカルズームレ
ンズ５の倍率ｍだけを変化させることにより、輪帯状の
二次光源の幅ｂを変化させることなくその大きさ（外径
φo ）およびその形状（輪帯比Ａ）をともに変更するこ
とができる。

【００５５】また、式（４）および（５）を参照する
と、アフォーカルズームレンズ５の倍率ｍが変化するこ
となくズームレンズ７の焦点距離ｆ２だけが変化する
と、輪帯状の二次光源の幅ｂおよびその高さｙがともに
焦点距離ｆ２に比例して変化することがわかる。すなわ
ち、ズームレンズ７の焦点距離ｆ２だけを変化させるこ
とにより、輪帯状の二次光源の形状（輪帯比Ａ）を変化
させることなくその大きさ（外径φo ）だけを変更する
ことができる。

【００５６】さらに、式（７）および（９）を参照する
と、一定の大きさの外径φo に対して式（９）の関係を
満たすようにアフォーカルズームレンズ５の倍率ｍとズ
ームレンズ７の焦点距離ｆ２とを変化させることによ
り、輪帯状の二次光源の大きさ（外径φo ）を変化させ
ることなくその形状（輪帯比Ａ）だけを変更することが
できることがわかる。

【００５７】ところで、回折光学素子４からの射出光束
の開き角の半角（回折角）αは、現実的な数値実施例に
よれば、たとえば４度〜７度の範囲内において設定され
る。これは、αがたとえば７度よりも大きくなると、回
折光学素子４の製造が困難になるとともに、その透過率
が低下する傾向が顕著になるためである。また、αがた
とえば７度よりも大きくなると、アフォーカルズズーム
レンズ５の径が大きくなり、ひいては装置が大型化して
しまう。

【００５８】さらに、上述の式（８）を参照するとわか
るように、αがたとえば７度よりも大きくなると、輪帯
状の二次光源の外径φｏを所定の値に保つために、ズー
ムレンズ７の焦点距離ｆ２を小さく設定する必要があ
る。その結果、ズームレンズ７の所要のＦナンバーが小
さくなりすぎて、ズームレンズ７の製造が困難になって
しまう。一方、上述の式（８）を参照するとわかるよう
に、αがたとえば４度よりも小さくなると、輪帯状の二
次光源の外径φｏを所定の値に保つために、ズームレン
ズ７の焦点距離ｆ２を大きく設定する必要がある。その
結果、ズームレンズ７の全長が大きくなり、ひいては装
置が大型化してしまう。

【００５９】次に、マイクロフライアイ６により形成さ
れる各光源からの射出光束の最大射出角度βは、現実的
な数値実施例によれば、たとえば１度〜３度の範囲内に
おいて設定される。上述の式（６）を参照するとわかる
ように、βがたとえば３度よりも大きくなると、マイク
ロフライアイ６の各微小レンズの焦点距離ｆ１を小さく
設定する必要がある。その結果、各微小レンズに所要の
曲率を付与することが困難になり、ひいてはマイクロフ
ライアイ６の製造が困難になってしまう。

【００６０】また、上述の式（８）を参照するとわかる
ように、βがたとえば３度よりも大きくなると、輪帯状
の二次光源の外径φｏを所定の値に保つために、ズーム
レンズ７の焦点距離ｆ２を小さく設定する必要がある。
その結果、ズームレンズ７の所要のＦナンバーが小さく
なりすぎて、ズームレンズ７の製造が困難になってしま
う。一方、上述の式（８）を参照するとわかるように、
βがたとえば１度よりも小さくなると、輪帯状の二次光
源の外径φｏを所定の値に保つために、ズームレンズ７
の焦点距離ｆ２を大きく設定する必要がある。その結
果、ズームレンズ７の全長が大きくなり、ひいては装置
が大型化してしまう。

【００６１】以上のように、本実施形態の現実的な数値
実施例において、コンパクト化と良好な光学性能の確保
とを両立させるには、回折光学素子４からの射出光束の
開き角の半角（回折角）αを、マイクロフライアイ６に
より形成される各光源からの射出光束の最大射出角度β
よりも大きく設定することが必要であることがわかる。
換言すると、回折光学素子４からの射出光束の開口数Ｎ
Ａ１＝ｎ・sinαを、マイクロフライアイ６により形成
される各光源からの射出光束の開口数ＮＡ２＝ｎ・sin
βよりも大きく設定することにより、コンパクト化と良
好な光学性能の確保とを両立させることができる。

【００６２】ところで、現実的な数値実施例によれば、
マイクロフライアイ６の各微小レンズの焦点距離ｆ１を
３．３ｍｍ程度に設定することにより、二次光源の輪帯
比をたとえば１／２〜２／３の範囲に亘って連続的に変
化させることが可能になる。また、マイクロフライアイ
６の各微小レンズの焦点距離ｆ１を５．０ｍｍ程度に設
定することにより、二次光源の輪帯比をたとえば２／３
〜３／４の範囲に亘って連続的に変化させることが可能
になる。そこで、本実施形態では、たとえば焦点距離ｆ
１が３．３ｍｍ程度のマイクロフライアイ６と焦点距離
ｆ１が５．０ｍｍ程度のマイクロフライアイ６０とを切
り換え可能に構成している。

【００６３】したがって、マイクロフライアイ６が照明
光路中に設定された図１の状態では、二次光源の輪帯比
をたとえば１／２〜２／３の範囲に亘って連続的に変化
させることが可能である。また、マイクロフライアイ６
に代えてマイクロフライアイ６０を照明光路中に設定す
ると、二次光源の輪帯比をたとえば２／３〜３／４の範
囲に亘って連続的に変化させることが可能となる。こう
して、本実施形態では、二次光源の輪帯比をたとえば１
／２〜３／４の範囲に亘って連続的に変化させることが
可能である。

【００６４】ところで、前述したように、回折光学素子
４は、照明光路に対して挿脱自在に構成され、且つ４極
照明用の回折光学素子４０や通常円形照明用の回折光学
素子４１と切り換え可能に構成されている。以下、回折
光学素子４に代えて回折光学素子４０を照明光路中に設
定することによって得られる４極照明について簡単に説
明する。

【００６５】４極照明用の回折光学素子４０は、図７
（ａ）に示すように、光軸ＡＸと平行に垂直入射した細
い光束を、所定の射出角にしたがって進む４つの光束に
変換する。換言すると、光軸ＡＸに沿って垂直入射した
細い光束は、光軸ＡＸを中心として等角度で特定の４つ
の方向に沿って回折され、４つの細い光束となる。さら
に詳細には、回折光学素子４０に垂直入射した細い光束
は４つの光束に変換され、回折光学素子４０と平行な後
方の面を通過する４つの光束の通過中心点を結ぶ四角形
は正方形となり、その正方形の中心は回折光学素子４０
への入射軸線上に存在することになる。

【００６６】したがって、図７（ｂ）に示すように、回
折光学素子４０に対して太い平行光束が垂直入射する
と、４つの光束に変換され、回折光学素子４０の後方に
配置されたレンズ７１の焦点位置には、やはり４つの点
像（点状の光源像）７２が形成される。したがって、回
折光学素子４０を介した光束は、アフォーカルズームレ
ンズ５の瞳面に４つの点像を形成する。この４つの点像
からの光は、ほぼ平行光束となってアフォーカルズーム
レンズ５から射出され、マイクロフライアイ６（または
６０）の後側焦点面に第１多数光源を形成する。

【００６７】マイクロフライアイ６（または６０）の後
側焦点面に形成された第１多数光源からの光束は、ズー
ムレンズ７を介してフライアイレンズ８の入射面に、光
軸ＡＸに対して対称的に偏心した４つの照野からなる４
極状の照野を形成する。その結果、フライアイレンズ８
の後側焦点面には、入射面に形成された照野とほぼ同じ
光強度を有する二次光源、すなわち光軸ＡＸに対して対
称的に偏心した４つの面光源からなる４極状の二次光源
が形成される。

【００６８】なお、回折光学素子４から回折光学素子４
０への切り換えに対応して、輪帯開口絞り９から開口絞
り９ａへの切り換えが行われる。開口絞り９ａは、図３
に示す３つの４極開口絞り４０２、４０４および４０６
から選択された１つの４極開口絞りである。このよう
に、４極照明用の回折光学素子４０を用いる場合も、光
源１からの光束に基づいてほとんど光量損失することな
く４極状の二次光源を形成することができ、その結果二
次光源からの光束を制限する開口絞り９ａにおける光量
損失を良好に抑えつつ４極照明を行うことができる。

【００６９】なお、４極状の二次光源の外径（大きさ）
および輪帯比（形状）を、輪帯状の二次光源と同様に定
義することができる。すなわち、４極状の二次光源の外
径は、４つの面光源に外接する円の直径である。また、
４極状の二次光源の輪帯比は、４つの面光源に外接する
円の直径すなわち外径に対する、４つの面光源に内接す
る円の直径すなわち内径の比である。

【００７０】こうして、輪帯照明の場合と同様に、アフ
ォーカルズームレンズ５の倍率ｍを変化させることによ
り、４極状の二次光源の外径φo および輪帯比Ａをとも
に変更することができる。また、ズームレンズ７の焦点
距離ｆ２を変化させることにより、４極状の二次光源の
輪帯比Ａを変更することなくその外径φo を変更するこ
とができる。その結果、アフォーカルズームレンズ５の
倍率ｍとズームレンズ７の焦点距離ｆ２とを適宜変化さ
せることにより、４極状の二次光源の外径φoを変化さ
せることなくその輪帯比Ａだけを変更することができ
る。

【００７１】次いで、回折光学素子４または４０に代え
て円形照明用の回折光学素子４１を照明光路中に設定す
ることによって得られる通常円形照明について説明す
る。円形照明用の回折光学素子４１は、入射した矩形状
の光束を円形状の光束に変換する機能を有する。したが
って、回折光学素子４１により形成された円形光束は、
アフォーカルズームレンズ５によりその倍率に応じて拡
大（または縮小）され、マイクロフライアイ６（または
６０）に入射する。こうして、マイクロフライアイ６
（または６０）の後側焦点面には、第１多数光源が形成
される。

【００７２】マイクロフライアイ６（または６０）の後
側焦点面に形成された第１多数光源からの光束は、ズー
ムレンズ７を介して、フライアイレンズ８の入射面にお
いて光軸ＡＸを中心とした円形状の照野を形成する。そ
の結果、フライアイレンズ８の後側焦点面にも、光軸Ａ
Ｘを中心とした円形状の二次光源が形成される。この場
合、ズームレンズ７の焦点距離ｆ２を変化させることに
より、円形状の二次光源の外径を適宜変更することがで
きる。

【００７３】なお、回折光学素子４または４０から円形
照明用の回折光学素子４１への切り換えに対応して、輪
帯開口絞り９または４極開口絞り９ａから円形開口絞り
９ｂへの切り換えが行われる。円形開口絞り９ｂは、図
３に示す２つの円形開口絞り４０７および４０８から選
択された１つの円形開口絞りであり、円形状の二次光源
に対応する大きさの開口部を有する。このように、円形
照明用の回折光学素子４１を用いることにより、光源１
からの光束に基づいてほとんど光量損失することなく円
形状の二次光源を形成し、二次光源からの光束を制限す
る開口絞りにおける光量損失を良好に抑えつつ通常円形
照明を行うことができる。

【００７４】以下、本実施形態における照明の切り換え
動作などについて具体的に説明する。まず、ステップ・
アンド・リピート方式またはステップ・アンド・スキャ
ン方式にしたがって順次露光すべき各種のマスクに関す
る情報などが、キーボードなどの入力手段２０を介して
制御系２１に入力される。制御系２１は、各種のマスク
に関する最適な線幅（解像度）、焦点深度等の情報を内
部のメモリー部に記憶しており、入力手段２０からの入
力に応答して第１駆動系２２〜第５駆動系２６に適当な
制御信号を供給する。

【００７５】すなわち、最適な解像度および焦点深度の
もとで輪帯照明する場合、第１駆動系２２は、制御系２
１からの指令に基づいて、輪帯照明用の回折光学素子４
を照明光路中に位置決めする。そして、フライアイレン
ズ８の後側焦点面において所望の大きさ（外径）および
形状（輪帯比）を有する輪帯状の二次光源を得るため
に、第２駆動系２３は制御系２１からの指令に基づいて
アフォーカルズームレンズ５の倍率を設定し、第４駆動
系２５は制御系２１からの指令に基づいてズームレンズ
７の焦点距離を設定する。また、光量損失を良好に抑え
た状態で輪帯状の二次光源を制限するために、第５駆動
系２６は制御系２１からの指令に基づいてターレットを
回転させ、所望の輪帯開口絞りを照明光路中に位置決め
する。こうして、光源１からの光束に基づいてほとんど
光量損失することなく輪帯状の二次光源を形成すること
ができ、その結果二次光源からの光束を制限する開口絞
りにおいてほとんど光量損失することなく輪帯照明を行
うことができる。

【００７６】さらに、必要に応じて、第２駆動系２３に
よりアフォーカルズームレンズ５の倍率を変化させた
り、第３駆動系２４によりマイクロフライアイ６と６０
とを切り換えたり、第４駆動系２５によりズームレンズ
７の焦点距離を変化させることにより、フライアイレン
ズ８の後側焦点面に形成される輪帯状の二次光源の大き
さおよび輪帯比を適宜変更することができる。この場
合、輪帯状の二次光源の大きさおよび輪帯比の変化に応
じてターレットが回転し、所望の大きさおよび輪帯比を
有する輪帯開口絞りが選択されて照明光路中に位置決め
される。こうして、輪帯状の二次光源の形成およびその
制限においてほとんど光量損失することなく、輪帯状の
二次光源の大きさおよび輪帯比を適宜変化させて多様な
輪帯照明を行うことができる。

【００７７】また、最適な解像度および焦点深度のもと
で４極照明する場合、第１駆動系２２は、制御系２１か
らの指令に基づいて、４極照明用の回折光学素子４０を
照明光路中に位置決めする。そして、フライアイレンズ
８の後側焦点面において所望の大きさ（外径）および形
状（輪帯比）を有する４極状の二次光源を得るために、
第２駆動系２３は制御系２１からの指令に基づいてアフ
ォーカルズームレンズ５の倍率を設定し、第４駆動系２
５は制御系２１からの指令に基づいてズームレンズ７の
焦点距離を設定する。また、光量損失を良好に抑えた状
態で４極状の二次光源を制限するために、第５駆動系２
６は制御系２１からの指令に基づいてターレットを回転
させ、所望の４極開口絞りを照明光路中に位置決めす
る。こうして、光源１からの光束に基づいてほとんど光
量損失することなく４極状の二次光源を形成することが
でき、その結果二次光源からの光束を制限する開口絞り
において光量損失を良好に抑えつつ４極照明を行うこと
ができる。

【００７８】さらに、必要に応じて、第２駆動系２３に
よりアフォーカルズームレンズ５の倍率を変化させた
り、第３駆動系２４によりマイクロフライアイ６と６０
とを切り換えたり、第４駆動系２５によりズームレンズ
７の焦点距離を変化させることにより、フライアイレン
ズ８の後側焦点面に形成される４極状の二次光源の大き
さおよび輪帯比を適宜変更することができる。この場
合、４極状の二次光源の大きさおよび輪帯比の変化に応
じてターレットが回転し、所望の大きさおよび輪帯比を
有する４極開口絞りが選択されて照明光路中に位置決め
される。こうして、４極状の二次光源の形成およびその
制限において光量損失を良好に抑えた状態で、４極状の
二次光源の大きさおよび輪帯比を適宜変化させて多様な
４極照明を行うことができる。

【００７９】最後に、最適な解像度および焦点深度のも
とで通常の円形照明をする場合、第１駆動系２２は、制
御系２１からの指令に基づいて、通常円形照明用の回折
光学素子４１を照明光路中に位置決めする。そして、フ
ライアイレンズ８の後側焦点面において所望の大きさ
（外径）を有する円形状の二次光源を得るために、第２
駆動系２３は制御系２１からの指令に基づいてアフォー
カルズームレンズ５の倍率を設定し、第４駆動系２５が
制御系２１からの指令に基づいてズームレンズ７の焦点
距離を設定する。

【００８０】また、光量損失を良好に抑えた状態で円形
状の二次光源を制限するために、第５駆動系２６は制御
系２１からの指令に基づいてターレットを回転させ、所
望の円形開口絞りを照明光路中に位置決めする。なお、
円形開口径を連続的に変化させることのできる虹彩絞り
を用いる場合には、第５駆動系２６は制御系２１からの
指令に基づいて虹彩絞りの開口径を設定する。こうし
て、光源１からの光束に基づいてほとんど光量損失する
ことなく円形状の二次光源を形成することができ、その
結果二次光源からの光束を制限する開口絞りにおいて光
量損失を良好に抑えつつ通常円形照明を行うことができ
る。

【００８１】さらに、必要に応じて、第４駆動系２５に
よりズームレンズ７の焦点距離を変化させることによ
り、フライアイレンズ８の後側焦点面に形成される円形
状の二次光源の大きさを適宜変更することができる。こ
の場合、円形状の二次光源の大きさの変化に応じてター
レットが回転し、所望の大きさの開口部を有する円形開
口絞りが選択されて照明光路中に位置決めされる。こう
して、円形状の二次光源の形成およびその制限において
光量損失を良好に抑えつつ、σ値を適宜変化させて多様
な通常円形照明を行うことができる。

【００８２】以上のように、本実施形態の照明光学装置
では、光量損失を良好に抑えつつ輪帯照明や４極照明な
どの変形照明および通常の円形照明が可能で、コンパク
ト化と良好な光学性能の確保とを両立させることができ
る。したがって、本実施形態の露光装置では、露光投影
すべき微細パターンに適した投影光学系の解像度および
焦点深度を得ることができ、高い露光照度および良好な
露光条件のもとで、スループットの高い良好な投影露光
を行うことができる。

【００８３】上述の実施形態の露光装置による露光の工
程（フォトリソグラフィ工程）を経たウェハは、現像す
る工程を経てから、現像したレジスト以外の部分を除去
するエッチングの工程、エッチングの工程後の不要なレ
ジストを除去するレジスト除去の工程等を経てウェハプ
ロセスが終了する。そして、ウェハプロセスが終了する
と、実際の組立工程にて、焼き付けられた回路毎にウェ
ハを切断してチップ化するダイシング、各チップに配線
等を付与するボンディング、各チップ毎にパッケージン
グするパッケージング等の各工程を経て、最終的にデバ
イスとしての半導体装置（ＬＳＩ等）が製造される。

【００８４】なお、以上の説明では、露光装置を用いた
ウェハプロセスでのフォトリソグラフィ工程により半導
体素子を製造する例を示したが、露光装置を用いたフォ
トリソグラフィ工程によって、マイクロデバイスとし
て、液晶表示素子、薄膜磁気ヘッド、撮像素子（ＣＣＤ
等）などを製造することができる。こうして、本実施形
態の照明光学装置を用いてマイクロデバイスを製造する
露光方法の場合、良好な露光条件のもとで投影露光を行
うことができるので、良好なマイクロデバイスを製造す
ることができる。

【００８５】なお、上述の実施形態においては、光束変
換素子としての回折光学素子４、４０および４１並びに
第１オプティカルインテグレータとしてのマイクロフラ
イアイ６および６０を、たとえばターレット方式で照明
光路中に位置決めするように構成することができる。ま
た、たとえば公知のスライダ機構を利用して、上述の回
折光学素子４、４０および４１並びにマイクロフライア
イ６および６０の切り換えを行うこともできる。

【００８６】また、上述の実施形態では、マイクロフラ
イアイ６および６０を構成する微小レンズの形状を正六
角形に設定している。これは、円形状の微小レンズで
は、稠密に配列を行うことができず光量損失が発生する
ため、円形に近い多角形として正六角形を選定している
からである。しかしながら、マイクロフライアイ６およ
び６０を構成する各微小レンズの形状はこれに限定され
ることなく、たとえば矩形状を含む他の適当な形状を用
いることができる。また、上述の各実施形態では、マイ
クロフライアイ６および６０を構成する微小レンズの屈
折力を正屈折力としているが、この微小レンズの屈折力
は負であっても良い。

【００８７】さらに、上述の実施形態では、通常の円形
照明を行う際に回折光学素子４１を照明光路中に位置決
めしているが、この回折光学素子４１の使用を省略する
こともできる。また、上述の実施形態では、光束変換素
子として回折光学素子を用いているが、これに限定され
ることなく、たとえばマイクロフライアイや微小レンズ
プリズムのような屈折光学素子を用いることもできる。
ところで、本発明で利用することのできる回折光学素子
に関する詳細な説明は、米国特許第5,850,300号公報な
どに開示されている。

【００８８】さらに、上述の実施形態では、フライアイ
レンズ８の後側焦点面の近傍に、二次光源の光束を制限
するための開口絞りを配置している。しかしながら、場
合によっては、フライアイレンズを構成する各レンズエ
レメントの断面積を十分小さく設定することにより、開
口絞りの配置を省略して二次光源の光束を全く制限しな
い構成も可能である。

【００８９】また、上述の実施形態では、変形照明にお
いて輪帯状または４極状の二次光源を例示的に形成して
いるが、光軸に対して偏心した２つの面光源からなる２
極状の二次光源や、光軸に対して偏心した８つの面光源
からなる８極状の二次光源のような、いわゆる複数極状
あるいは多極状の二次光源を形成することもできる。

【００９０】なお、上述の実施形態においては、コンデ
ンサー光学系１０によって開口絞り９の位置に形成され
る二次光源からの光を集光して重畳的にマスク１１を照
明する構成としているが、コンデンサー光学系１０とマ
スク１１との間に、照明視野絞り（マスクブラインド）
と、この照明視野絞りの像をマスク１１上に形成するリ
レー光学系とを配置しても良い。この場合、コンデンサ
ー光学系１０は、開口絞り９の位置に形成される二次光
源からの光を集光して重畳的に照明視野絞りを照明する
ことになり、リレー光学系は、照明視野絞りの開口部の
像をマスク１１上に形成することになる。

【００９１】また、上述の実施形態においては、フライ
アイレンズ８を、複数の要素レンズを集積して形成して
いるが、これらをマイクロフライアイとすることも可能
である。マイクロフライアイとは、光透過性基板にエッ
チングなどの手法により複数の微少レンズ面をマトリッ
クス状に設けたものである。複数の光源像を形成する点
に関して、フライアイレンズとマイクロフライアイとの
間に機能上の差異は実質的には無いが、１つの要素レン
ズ（微少レンズ）の開口の大きさを極めて小さくできる
こと、製造コストを大幅に削減できること、光軸方向の
厚みを非常に薄くできることなどの点で、マイクロフラ
イアイが有利である。

【００９２】さらに、上述の実施形態においては、第１
変倍光学系としてのアフォーカルズームレンズ５および
第２変倍光学系としてのズームレンズ７が用いられてい
るが、これに限定されることなく、倍率が固定の第１光
学系および焦点距離が固定の第２光学系を用いることも
できる。

【００９３】また、上述の実施形態では、輪帯照明や４
極照明のような変形照明が可能な照明光学装置を例にと
って本発明を説明したが、変形照明に限定されることな
く通常の円形照明だけを行う照明光学装置にも本発明を
適用することができる。さらに、上述の実施形態では、
照明光学装置を備えた投影露光装置を例にとって本発明
を説明したが、マスク以外の被照射面を均一照明するた
めの一般的な照明光学装置に本発明を適用することがで
きることは明らかである。

【００９４】さて、上述の実施形態においては、光源と
してＫｒＦエキシマレーザ(波長:248nm)やＡｒＦエキシ
マレーザ(波長:193nm)等、波長が180nm以上の露光光を
用いているため回折光学素子は例えば石英ガラスで形成
することができる。なお、露光光として200nm以下の波
長を用いる場合には、回折光学素子を螢石、フッ素がド
ープされた石英ガラス、フッ素及び水素がドープされた
石英ガラス、構造決定温度が１２００Ｋ以下で且つＯＨ
基濃度が１０００ｐｐｍ以上である石英ガラス、構造決
定温度が１２００Ｋ以下で且つ水素分子濃度が１×10¹⁷
molecules/cm³以上である石英ガラス、構造決定温度が
１２００Ｋ以下でかつ塩素濃度が50ppm以下である石英
ガラス、及び構造決定温度が１２００Ｋ以下で且つ水素
分子濃度が１×10¹⁷molecules/cm³以上で且つ塩素濃度
が50ppm以下である石英ガラスのグループから選択され
る材料で形成することが好ましい。

【００９５】なお、構造決定温度が１２００Ｋ以下で且
つＯＨ基濃度が１０００ｐｐｍ以上である石英ガラスに
ついては、本願出願人による特許第２７７０２２４号公
報に開示されており、構造決定温度が１２００Ｋ以下で
且つ水素分子濃度が１×10¹⁷molecules/cm³以上である
石英ガラス、構造決定温度が１２００Ｋ以下でかつ塩素
濃度が50ppm以下である石英ガラス、及び構造決定温度
が１２００Ｋ以下で且つ水素分子濃度が１×10¹⁷molecu
les/cm³以上で且つ塩素濃度が50ppm以下である石英ガラ
スについては本願出願人による特許第２９３６１３８号
公報に開示されている。

【００９６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の照明光学
装置では、光量損失を良好に抑えつつ輪帯照明や４極照
明などの変形照明および通常の円形照明が可能で、コン
パクト化と良好な光学性能の確保とを両立させることが
できる。したがって、本発明の照明光学装置を組み込ん
だ露光装置では、露光投影すべき微細パターンに適した
投影光学系の解像度および焦点深度を得ることができ、
高い露光照度および良好な露光条件のもとで、スループ
ットの高い良好な投影露光を行うことができる。また、
本発明の照明光学装置を用いて被照射面上に配置された
マスクのパターンを感光性基板上に露光する露光方法で
は、良好な露光条件のもとで投影露光を行うことができ
るので、良好なマイクロデバイスを製造することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態にかかる照明光学装置を備え
た露光装置の構成を概略的に示す図である。

【図２】輪帯明用の回折光学素子４の作用を説明する図
である。

【図３】複数の開口絞りが円周状に配置されたターレッ
トの構成を概略的に示す図である。

【図４】アフォーカルズームレンズ５の作用を説明する
図である。

【図５】マイクロフライアイ６の入射面に斜め入射した
光束がフライアイレンズ８の入射面に輪帯状の照野を形
成する様子を示す図である。

【図６】アフォーカルズームレンズ５の倍率およびズー
ムレンズ７の焦点距離とフライアイレンズ８の入射面に
形成される輪帯状の照野の大きさおよび形状との関係を
説明する図である。

【図７】４極照明用の回折光学素子４０の作用を説明す
る図である。

【符号の説明】

１ 光源 ４，４０，４１ 回折光学素子 ５ アフォーカルズームレンズ ６，６０ マイクロフライアイ ７ ズームレンズ ８ フライアイレンズ ９ 開口絞り １０ コンデンサー光学系 １１ マスク １２ 投影光学系 １３ ウェハ ２０ 入力手段 ２１ 制御系 ２２〜２６ 駆動系

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 平賀 康一 東京都千代田区丸の内３丁目２番３号 株 式会社ニコン内 Ｆターム(参考） 2H052 BA02 BA03 BA09 BA12 5F046 BA03 CB01 CB05 CB12 CB13 CB23 DA01 DD03

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光源手段からの光束に基づいて多数の光
   源からなる第１多数光源を形成するための第１オプティ
   カルインテグレータと、前記第１多数光源からの光束に
   基づいてより多数の光源からなる第２多数光源を形成す
   るための第２オプティカルインテグレータとを備え、前
   記第２多数光源からの光束で被照射面を照明する照明光
   学装置において、 前記光源手段からの光束を所定の形状の光束に変換する
   ための光束変換素子と、 前記光束変換素子からの光束を集光して、基準光軸に対
   してほぼ対称に斜め方向から前記第１オプティカルイン
   テグレータへ入射させるための第１光学系とを備え、 前記光束変換素子からの射出光束の開口数が、前記第１
   オプティカルインテグレータにより形成される前記第１
   多数光源からの光束の開口数よりも大きく設定されてい
   ることを特徴とする照明光学装置。
2. 【請求項２】 前記光束変換素子は、照明光路に対して
   挿脱自在に構成された複数の回折光学素子を有し、 前記複数の回折光学素子は、前記光源手段からの平行光
   束を円形状の光束に変換するための第１回折光学素子
   と、前記光源手段からの平行光束を輪帯状の光束に変換
   するための第２回折光学素子と、前記光源手段からの平
   行光束を前記基準光軸に対して偏心した複数の光束に変
   換するための第３回折光学素子とを有することを特徴と
   する請求項１に記載の照明光学装置。
3. 【請求項３】 前記第１光学系は、前記第２多数光源と
   して形成される輪帯状の光源の輪帯比または前記基準光
   軸に対して偏心した複数の光源からなる複数極状の光源
   の輪帯比を変更するために倍率が可変の第１変倍光学系
   を有することを特徴とする請求項１または２に記載の照
   明光学装置。
4. 【請求項４】 前記第１オプティカルインテグレータと
   前記第２オプティカルインテグレータとの間の光路中に
   は、前記第１オプティカルインテグレータにより形成さ
   れる第１多数光源からの光束を前記第２オプティカルイ
   ンテグレータへ導くための第２光学系が配置され、 前記第２光学系は、前記第２多数光源の大きさを変更す
   るために倍率が可変の第２変倍光学系を有することを特
   徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の照明光
   学装置。
5. 【請求項５】 前記第１オプティカルインテグレータ
   は、照明光路に対して挿脱自在に構成された複数のマイ
   クロフライアイを有し、 前記複数のマイクロフライアイは、第１の焦点距離を有
   する多数の微小レンズからなる第１マイクロフライアイ
   と、前記第１の焦点距離とは実質的に異なる第２の焦点
   距離を有する多数の微小レンズからなる第２マイクロフ
   ライアイとを有することを特徴とする請求項１乃至４の
   いずれか１項に記載の照明光学装置。
6. 【請求項６】 前記第１マイクロフライアイを構成する
   各微小レンズの焦点距離は、前記第２多数光源として２
   ／３から３／４までの範囲の輪帯比を有する輪帯状の光
   源または複数極状の光源を形成するための所望の値に設
   定されていることを特徴とする請求項５に記載の照明光
   学装置。
7. 【請求項７】 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の
   照明光学装置と、前記被照射面に配置されたマスクのパ
   ターンを感光性基板に投影露光するための投影光学系と
   を備えていることを特徴とする露光装置。